基于电渗析的溶液再生系统性能研究

摘要

热湿独立处理对于建筑与工业节能意义重大，在空调和其他工业领域也有广泛应用。在众多热湿独立处理空调系统中，太阳能溶液除湿空调系统是一种基于液体吸湿剂除湿技术的极具潜力的新型空调方式。然而，太阳能溶液热再生方式却具有环境依赖性和不连续性，在高温高湿和阴雨天气将不足以满足溶液除湿空调系统的稳定需求。为了提高太阳能溶液除湿空调系统的性能和运行可靠性，本文围绕新型太阳能再生系统的构建、再生性能及特性分析，用于电渗析再生器的溶液除湿剂的性质研究及选择，电渗析再生器的再生性能分析及优化开展了研究工作，具体研究内容与结果如下:
　　首先，分析了传统太阳能再生系统的运行原理、耗能模型以及系统存在的不足，构建了一种新型太阳能耦合再生系统，分析了该系统的原理，并建立了该系统的耗能模型。研究表明:运行模式1下，太阳能耦合再生系统与传统太阳能再生系统相比具有一定的节能性。太阳能集热/再生器出口处溶液浓度对太阳能耦合再生系统的性能具有较大的影响。此外，太阳能集热/再生器的再生效率对太阳能耦合再生系统的性能也有着一定影响。在运行模式2下，太阳能耦合再生系统与电加热辅助的太阳能热再生系统相比将具有极大的节能性。
　　其次，建立了除湿溶液电导率实验系统并对两种常用除湿溶液的电导率进行了实验研究，研究表明:两种除湿溶液在不同温度下的电导率值均存在一个转折点。当除湿溶液温度高于转折点所对应的温度时，溶液的电导率只随着温度的升高而减小，而不随浓度的变化而变化。在溶液质量浓度范围为20％和25％之间时，LiCl溶液的物料成本-收益系数和运行成本-收益系数均低于LiBr溶液，同时LiCl溶液的除湿能力高于LiBr溶液，即在此浓度范围内LiCl溶液的性能优于LiBr溶液。
　　再次，建立了电渗析再生器的实验系统，对两种浓度下的LiCl溶液进行了实验研究，研究表明:电渗析再生器与传统热再生系统相比具有更高的再生效率。溶液流量的提高会降低电渗析再生器再生室进出口溶液的浓度差，但却可以提高系统的电流效率和再生效率。再生室与淡化室溶液流量比的降低可以提高电渗析再生器的再生效果。运行电流的提高可以提高电渗析再生器的再生效果，并降低系统的电流效率和再生效率。再生室与淡化室溶液浓度差的提高会降低电渗析再生器的再生性能。在相同的运行工况下，高浓度溶液下电渗析再生器的再生性能均低于低浓度溶液下的电渗析再生器。因此，在太阳能不足以驱动热再生系统时，利用电渗析再生器对除湿溶液进行辅助再生是可行且相当经济的（与电加热辅助系统相比）。
　　另外，为了对太阳能耦合再生系统进行简化，构建了一种太阳能溶液预处理电渗析再生系统，并在此基础上构建了一种改进型太阳能溶液预处理电渗析再生系统，同时对两种再生系统的特性进行了研究。研究结果表明:对于两种系统，电渗析再生器再生室进口处溶液浓度对系统耗能的影响最大。在系统设计过程中，应当尽量保证系统在理想运行工况下运行。与太阳能溶液预处理电渗析再生系统相比，改进型系统可以在较高效率下获得更高浓度的溶液，因此可以用于深度除湿领域，但其耗能也会增加。
　　最后，为了提高溶液除湿空调的稳定性，本文构建了一种双级PV/T电渗析再生系统，对该系统的性能及内部特性进行了研究。利用多级电渗析再生系统排出除湿器中进入溶液的水分将是保证电渗析再生系统稳定性的重要技术途径。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 能源现状

1．1．2 传统制冷空调面临的能源和环境问题

1．1．3 太阳能制冷技术

1．2 溶液除湿空调系统文献综述

1．2．1 除湿溶液性能研究

1．2．2 溶液除湿空调系统应用研究

1．2．3 传热传质过程研究

1．2．4 溶液除湿空调系统再生器研究

1．3 电渗析技术

1．3．1 电渗析原理

1．3．2 电渗析部件

1．3．3 电渗析运行过程研究

1．3．4 电渗析应用

1．3．5 基于电渗析的溶液再生系统

1．4 存在问题和本文研究内容

第二章 太阳能溶液耦合再生系统及其性能研究

2．1 太阳能热再生系统

2．1．1 系统原理

2．1．2 系统耗能模型

2．2 PV-ED再生系统

2．2．1 系统原理

2．2．2 系统耗能模型

2．2．3 电渗析再生器的极限电流

2．3 太阳能耦合再生系统

2．3．1 系统原理

2．3．2 系统耗能模型

2．4 三种太阳能再生系统的对比

2．4．1 对比模型

2．4．2 新系统与太阳能热再生系统的对比

2．4．3 新系统与PV-ED再生系统的对比

2．4．4 三种太阳能再生系统耗能对比的讨论

2．5 本章小结

第三章 除湿溶液电导率实验研究

3．1 除湿溶液电导率测试实验平台

3．1．1 实验准备

3．1．2 测量仪器

3．1．3 实验方案

3．1．4 分析原理

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 LiCl溶液电导率实验结果与讨论

3．2．2 LiBr溶液电导率实验结果与讨论

3．2．3 LiCl溶液特性研究

3．2．4 LiBr溶液特性研究

3．2．5 两种溶液的对比研究

3．3 本章小结

第四章 电渗析再生器再生性能及其实验研究

4．1 除湿溶液电导率测试实验平台

4．1．1 电渗析再生器实验系统

4．1．2 测量仪器

4．1．3 实验方案

4．1．4 分析原理

4．2 低浓度下的电渗析再生器实验研究

4．2．1 溶液流量对再生性能的影响

4．2．2 再生室和淡化室溶液流量比对再生性能的影晌

4．2．3 运行电流对再生性能的影响

4．2．4 再生室与淡化室溶液浓度差对再生性能的影响

4．2．5 电渗析再生器溶液温度研究

4．3 高浓度下的电渗析再生器实验研究

4．3．1 运行电流对再生性能的影响

4．3．2 极水槽溶液浓度对再生性能的影响

4．3．3 稀溶液槽溶液浓度对再生性能的影响

4．3．4 电渗析再生器溶液温度研究

4．4 本章小结

第五章 太阳能溶液预处理电渗析再生系统及其性能研究

5．1 太阳能溶液预处理电渗析再生系统

5．1．1 系统原理

5．1．2 太阳能溶液预处理电渗析再生系统的耗能模型

5．2 太阳能溶液预处理电渗析再生系统与传统太阳能再生系统的对比

5．2．1 对比模型

5．2．2 与太阳能热再生系统的对比

5．2．3 与PV-ED再生系统的对比

5．2．4 三种太阳能再生系统耗能对比的讨论

5．3 改进型太阳能溶液预处理电渗析再生系统

5．3．1 系统原理

5．3．2 系统耗能模型

5．4 改进型系统与传统太阳能再生系统的对比

5．4．1 对比模型

5．4．2 与太阳能热再生系统的比较

5．4．3 与PV-ED再生系统的对比

5．4．4 三种太阳能再生系统耗能对比的讨论

5．5 本章小结

第六章 双级PV／T电渗析再生系统及其特性研究

6．1 双级PV／T-ED再生系统

6．1．1 系统原理

6．1．2 系统耗能模型

6．2 双级PV／T-ED系统再生过程热力学分析

6．2．1 系统整体传质分析

6．2．2 稀溶液槽的传质分析

6．2．3 双级电渗析再生器的传质分析

6．3 双级系统与PV-ED再生系统的耗能对比

6．3．1 单级PV-ED-LDAS的耗能

6．3．2 双级PV／T-ED-LDAS的耗能

6．3．3 两种系统的耗能对比

6．4 对比结果和讨论

6．4．1 参数v的影响

6．4．2 参数w的影响

6．4．3 对比结果讨论

6．5 系统影响因素相关性研究

6．5．1 理论模型

6．5．2 结果与分析

6．6 本章小结

第七章 研究总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 研究展望

参考文献

作者在攻读博士期间发表的论文及其他成果

致谢